一种锅炉现场总线监控系统的设计与研究

1、 一种锅炉现场总线监控系统的设计与研究 摘要：本文阐述了一种锅炉现场总线控制系统的设计理论和实现方法，从硬件和软件两方面分别做了论述，从实际运行结果来看，该系统提高了控制的安全性、稳定性和经济性，具有广阔的应用前景。关键词：锅炉控制；现场总线控制；flx；fcs我国现有中小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的13，目前大多数工业和民用锅炉仍处于效率低，环境污染严重，安全系数低的生产状态。为了提高锅炉的热效率，降低耗煤量，采用锅炉的自动控制系统日益广泛，作为锅炉的控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻工作人员的劳动强度。综合考虑，我们采用shcan2000总线控制系统

2、来实现对锅炉的控制。shcan2000总线控制系统是基于can总线的现场总线控制系统(fcs)，由于锅炉控制系统对实时性和控制的可靠性要求较高，所以软件的要求也较高，而intellution公司的fix监控软件能满足这些要求。本文针对大连金源小区供热系统中两台20吨低压热水锅炉的特点。以fcs系统为基础，介绍了一套锅炉现场总线监控系统方案，从实际应用中取得了比较好的控制效果。整个系统工作原理为；从控制现场宋的4-20ma或1-5v的标准信号，送至shcan2000型现场控制单元。信号在其中经处理后可由其ao或do端口输出，经信号调理模块去控制现场设备；也可根据需要发送到can总线上，总线上其它

3、现场控制单元或上位机系统根据事先设计好的验收码和验收屏蔽码，来判断是否接收该信息。传送到上位机的信息，可以通过上位机监控软件进行显示、控制、记录以及报警、打印等。1锅炉现场总线控制系统的硬件体系shcan2000总线控制系统不同于传统的集散系统(dcs)，它具有dcs的先进技术和完善的功能，特别适用于中、小型装置的生产过程控制，它是计算机技术、控制技术、通讯技术综合利用的结果，是新一代的全数字、全分散、全开放的现场总线控制系统3，控制系统设计思想为：从现场传感器(铂电阻、压力变送嚣等)测得的信号经信号调理模块(温度变送器、输入端安全栅等)送至智能控制单元，在智能控制单元中经过运算处理后，形成控

4、制信号。控制信号再经信号调理模块(温度变送器、输入端安全栅等)返送至现场执行器(电磁阀、切断阀等)。不同的智能控制单元作为控制中心可以通过can总线互相通信，并可以将需要监控的信号送至上位机，实现人机交互。shcan2000总线控制系统由三层网络组成：最底层为低速现场总线连成的控制网络，连接各种智能仪表及调节阀等现场设备，各控制器节点下放到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构：中间的一层采用中速网连接控制器、远程i0及智能i/o设备，形成系统网络；量上一层即决策层，采用高速以太网连接各种控制器和站级计算机。如图1所示：shcan2000型系统的总线通信标准采用can20b。can总线的短帧结

5、构、crc校验以及错误节点自动关闭功能，保证了信号传输的可靠性。在操作站一侧，工业pc机通过网卡作为数据缓冲与can总线网络连接；在现场控制单元一侧，数据缓冲由sjal000和82c250芯片组成的标准can总线接口来实现。can总线通讯软件完成上位机与实时数据库之间、任意两个实时数据库之间的双向数据交换，当任意两个shcan智能测控组件的实时数据库之间交换数据时，不需要上位机的干预，并符合is011898标准和can20b技术规范，最大通信速率1m bps，最远通讯距离达10km。shcan型智能测控组件是直接完成采集和控制功能的智能单元，可单独运行，作为独立的回路调节器，也可将该组件放在现

6、场附近，通过网络组合成一个完整的数据采集和控制系统。每个shcan智能测控组件都固化有不同的采集和控制软件，可通过实时组态和参数设置完成不同功能组合、过程信号的采集、工程量转仪、信号补偿、线性化处理、pid运算、自动报警、故障白诊断、pid参数自动整定等等。图1 锅炉现场总线控制系统硬件体系现场总线控制系统“功能全分散”的特点，使现场控制单元成了控制系统的核心。sttcan2000型现场控制单元采用了由实时多任务操作系统、实时监控软件、任务级组态软件、实时数据库等构成的现场智能测控仪表软件组成集成技术，支持在线组态。上一页 1 2下一页2锅炉现场总线控制系统的软件体系锅炉现场总线控制系统软件体

7、系由下述四部分构成，锅炉现场总线控制系统的软件体系图略：1. 系统监控软件fixshcan2000系统选用美国intellution公司的fix dmacs作为组态软件完成人机界面(mml)和数据的操作管理，软件操作平台采用windows98,它集控制技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含静态编辑、动态显示、报警、历史曲线、报表打印、控制网络通信等多种功能，为客户提供了一个良好的人机交互界面，为实现控制的实时性提供了可能。2. shcani/oi/0驱动程序；shcanio是fix dmacs与can网卡连接，进而与网络上shcan智能测控组件连接的软件模块。shcanio是使用in

8、tel-iution公司提供的i0驱动程序专用开发工具(itk)开发的高性能io驱动程序。它与常规dde动态数据交换实现的驱动程序相比较，具有较高的实时性能和更加完善的功能。3shcancfgshcan下载与调试工具；shcancfg是一个基于中文windows9598/nt上的下载与调试工具，它通过can总线，能对shca2000上的每一个智能仪表测控组件进行组态、参数编辑、下载、上传、管理和实时监控。4shcan智能测控组件组态软件shcan智能测控组件组态软件是嵌入在shcan智能仪表中的组态、数据采集、控制、输入、输出和通讯的模块。3锅炉现场总线控制系统控制方案的设计与实现整个供热系统

9、包括2台20t/h锅炉，两台锅炉生产的热水汇总后经由小区各住户的供热装置，经换热后，返回到锅炉循环加热，燃烧方式为火床中的抛煤链条炉，它主要有锅炉主体、出水总网、回水总网等几部分组成，此外，还有引风机、鼓风机、炉排电机，循环泵、除尘器等辅助设备。要满足供暖的需要，首先必须保证锅炉回水温度和出水流量的稳定，其次要保证炉膛压力维持在一定范围，以保证生产的安全性和燃烧的经济性，因此锅炉的被控对象可以确定为锅炉的回水温度，炉膛负压，总网的出水压力(其决定出水流量)，下面根据三个回略各自的特点分别阐述如下：1、锅炉温度回路的控制从控制理论的角度分析热水锅炉，它是一个事变量、非线性、分布参数的和带时死的复

10、杂对象，它有多个被控交置(温度、炉膛负压等)和调节变量(煤量，鼓风量和引风量等)相互之间存在交叉影响，还有媒质，环境温度和水流量等诸多因数，不难分析燃烧对象具有大的纯滞后，特别是回水温度回路，其滞后时间与pid时间常数相比更大，在传统的pid控制回路中，其中有三个重要的参量：sp(被控量的设定值)，fv(被控量的实际值)，0p(pid的操作输出)，一般根据sp和pv的偏差e通过fid运算得到op输出，进而控制现场的相应设备来调节温度，使其逼近sp值，当设定回水sp后，由于回水温度回路滞后时间比较长，其起作用的较果至少要等2个小时才能得到，(这主要取决于小区供热面积)，这样大的滞后必然会带来系统

11、大的超调，甚至造成系统的不稳定，这样我们采用控制锅炉的出水温度，但是为了保证锅炉回水温度达到要求，出水温度的sp值要受到回水的控制，在这里我们采纳仿人智能控制的思想，通过软件实现对出水温度sp值的设定，其实现方法如图2所示：回水sp根据供暖要求一般由供暖曲线给出，即根据室外的温度按曲线给出回水温度的sp预定值，然后将其和回水的实际值pv相比较，如果其绝对值大于偏差上限值max，那么如果其值大于0，则把出水的sp值设为sp的最小值，否则设为最大值，如果不大于偏差上限max那么如果其值大于0，则把出水sp设定为当前值减去一个偏移量，否则加上偏移量。通过这样设定出水sp，不仅可以避免系统的超调太大，

12、而且大大缩短了调节时间。此外，由于影响出水温度高低的因素有三个，它们分别为加煤量，鼓风量，和炉排电机速度，而且三者之间存在比例关系，只有分配好过三者关系，锅炉才能安全、经济、有效的运行，所以，出水温度pid控制回路的输出op值晕终要分配给这二者，即；加煤量 op1=k1*op+dl鼓风量 op2=k2*op+d2炉排电机op3=j3*op*d3当调节k1、k2、k3、d1、d2、d3六个加权系数便可以保证锅炉的经济有效运行。图2 出水sp设置方框图2炉膛负压回路为了保证炉膛内粉煤有效的燃烧，炉膛内部压力是一个重要的参数，一般炉膛负压控制在-200pa200pa范围之内，影响炉膛负压的因素主要是

13、鼓风量和引风量下面分别介绍两者的控制方案：对于鼓风量，我们可以采用常规的pid控制，但是煤量的变化是鼓风控制的一个大的干扰，如果鼓风的调节滞后于煤量的变化，那么势必会造成冒黑烟现象，严重污染环境采用的解决方法是把煤量作为鼓风控制的前馈量，这样可以实现当煤量变化后及时改变鼓风量进行调节，值得说明的是，当煤量增加时，提前增加鼓风量过是应该的，但是当煤量减少时，却不能立即减少鼓风量，这样同样会因为鼓风不足，造成冒黑烟，出此必须做出一个判断，判断加煤量op1值是增加还是减少，如果加煤量op1值增加那么立即增加鼓风量op2值，如果加煤量op1值减少那么要等待一段时间，然后在减少鼓风量op2值。控制炉膛负压我们主要控制引风量的大小，在这里炉膛负压作为被控对象，当然这是在鼓风量一定的状态，那么当鼓风量发生变化的时候，对于引风量的控制同样可以参照鼓风控制的方案，在这里是把鼓风量作为引风控制的前馈量，当鼓风0p值增加时立即增加引风op值，但当鼓风0p减少时，却要等待一段时间，然后再减少引风op值的大小。3出水压力控制回路此回路控制小区供热臂